利用IIoT进行智能水资源管理

虽然70%以上的地球表面被水覆盖，但97.2%的水是咸水。在2.8%的淡水中，大部分被冻结成极地冰，总共只有不到1%的水是地下水或地表淡水。在所有的淡水中，只有1%可以饮用。换句话说，地球上只有0.01%的水是可饮用水。DUZednc

根据世界卫生组织的数据，全世界有8.84亿人无法获得饮用水。此外，全世界三分之一的人面临用水压力或需要争夺有限的水量。气候变化将使这些问题加剧，干旱和洪水会使水资源分配更加不平衡。我们需要有效的水资源管理，通过减少浪费和更有效地回收废水来节约用水。通过防洪减灾来保护脆弱的城市和基础设施也是如此。DUZednc

此外，农业灌溉占所有淡水量的48%。在剩下的52%中，能源生产占22%，工业生产占6%，诸如冲厕、清洁和淋浴等住宅楼内的活动则占24%。这些不同行业都存在类似的问题，如漏水和/或用水效率低下。水质差也是一个问题。DUZednc

那么我们可以做些什么来解决这些问题呢？工业物联网(IIoT)可能会提供一些潜在的解决方案。DUZednc

更智能的监控

水循环包含许多阶段(图1)。这些阶段又包括用水的建筑物和家庭。循环中的其他阶段则是水坝、湖泊和地下水等可再生水源，水生植物，水塔，以及污水处理厂。所有这些阶段都可以通过监测用水或水质的IIoT探测器来实现智能化。DUZednc

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图1：智能水资源管理包括可再生资源、水厂、网络冲洗、水质探测器、水塔和建筑物等很多阶段。(图片来源:Birdz)DUZednc

更智能的漏水检测、智能计量和智能配水

令人惊讶的是，对房主来说，水损害比火灾或盗窃造成的风险要大得多。漏水会造成水的浪费。更重要的是，漏水可能会损坏房屋的地板、墙壁和天花板，而且需要昂贵的维修费用。漏水在欧盟许多国家的大型建筑物中也很常见。DUZednc

在IIoT系统中，可以将湿度传感器安装在建筑物周围来检测漏水。传感器会收集数据，并将其发送回云端进行分析。一旦分析发现异常，发送到智能阀的命令将自动关闭水，从而最大限度地减少泄漏。DUZednc

智能计量可以通过远程编程的自动“打开”或“关闭”命令限制用水量，平衡水的分配并且防止无节制的用水。智能计量还可以防止不受控和意外的泄漏发展成为洪水。DUZednc

利用智能化水资源管理，Robeau公司已经帮助欧盟的机场、餐馆、制造工厂、办公室和商业中心节约了25%到40%的水资源。DUZednc

洪水监控

因为气候变化使天气变得更加极端，造成严重的干旱和大洪水，许多城市正日益面临洪水问题。在北美和世界其他地区，洪水成了一个真正令人担忧的问题。与过去不同，洪水正在成为一种全年性的事件，它会发生在冬季的大暴风雪之后，也会发生在其他季节的暴雨和飓风之后。尽管卫星成像和天气预报技术取得了进步，但发布早期、准确的洪水预警来拯救生命和避免财产损失仍然是一项挑战。DUZednc

在IIoT监控系统中，可以将带有GPS标签的水传感器或超声波深度传感器的分布式网络安装在桥梁、河流、溪流和暴雨排水沟上。传感器可以从不同位置收集水位数据进行分析。一旦分析结果确定有必要发布早期洪水预警，就可以将移动警报发送到可能受洪水影响的当地企业、急救人员、社区和政府。洪水监测系统已被部署到弗吉尼亚海滩和弗吉尼亚纽波特纽斯等许多城市。DUZednc

农业智能用水

与任何其他工业或人类活动相比，农业消耗的淡水量更多。由于缺乏监督和实时管理，大量的灌溉用水被浪费。DUZednc

通过IIoT控制的智能灌溉系统可以从安装在农场周围的传感器上收集实时用水数据。根据传感器收集的数据，系统可以根据灌溉需求打开和关闭用水，从而防止滥用或未充分利用。此外，传感器还可以帮助检测和处理水管泄漏，从而减少水的浪费。DUZednc

此外，智能传感器可以帮助农民跟踪温度、降雨量、湿度和风况。有了传感器来帮忙确保所需的土壤湿度，农作物就能得到有效的灌溉。此外，水传感器还可以监测土壤中的其他变量，例如pH值，因为过高的土壤酸度会阻止植物吸收养分。评估土壤盐分也是很关键，因为有些作物耐盐，而有些则不是。最后，水的氧化还原电位(ORP)表明了其降解污染物的能力，因此追踪ORP对监测水污染程度也很有用。DUZednc

许多试点项目表明，农民可以通过IIoT来节约大量的水。例如，法国IIoT解决方案提供商Kerlink正在与荷兰土壤湿度传感器生产商Sensoterra合作。Robeau正在与苏格兰、爱尔兰和法国的农场合作，以实现25%的节水。DUZednc

水质

工业废水、农业废水和生活废水必须经过处理，以去除杂质或污染物。在排放到城市供水网络系统或天然水源之前，所有废水必须满足pH值、悬浮固体和电导率的排放标准。可以使用两种不同的方法来测量污染物：DUZednc

生物需氧量(BOD)用于衡量细菌分解废水中有机成分所需的氧气量。DUZednc

废水中的化学需氧量(COD)用于指示无机和有机化学物质的总量。COD高意味着水中含有大量可氧化的有机物质，这将会降低溶解氧水平，危及高等水生生物。DUZednc

因此，较高的COD或BOD表明了较高的污染程度或较低的污水处理质量。DUZednc

IIoT传感器可以测量废水的pH值、浑浊度、电导率和氧气水平等变量，这将有助于监测水处理厂的效率。死水也是一种污染源。使用IIoT传感器监测死水，可以帮助安排定时清洗，以减少污染的可能性。DUZednc

设计考虑和挑战

由于工业物联网传感器安装在大面积区域，因此传感器和其他系统组件之间的连接至关重要。用于监测水质的传感器通常被淹没或暴露在户外环境中，或两种情况都有，因此它们也必须经受住极端温度的考验。在不需要维护或更换电池的情况下，预计它们可以现场运行10至20年，这意味着其功耗必须非常低。优化无线通信带宽的使用也是必需。DUZednc

设计案例1：饮用水水质

GF Piping Systems公司的Hycleen自动化系统用于维护建筑物的饮用水卫生(图2)。该系统具有温度和流量传感器，可分别连续收集水温和流量数据。它可以分析数据来指导系统执行液压平衡，执行受控的热消毒，根据需要冲洗管路，或在出现故障时提醒用户。DUZednc

此外，也对消耗控制的冲洗进行了微调。DUZednc

首先，在指定期间测量了两次有效的用水量。然后将数据与目标交换量进行了比较。这里只对差异之处进行冲洗，而不是全部的量，从而将冲洗量降至最低水平，并优化了能源消耗，而不会增加军团菌感染的风险。Hycleen系统可以通过一个app使用任何智能手机或类似设备进行远程控制。DUZednc

Hycleen系统可以集成到建筑管理系统中，它已成功应用于复杂的建筑，如欧洲的酒店、医院、学校、公寓楼和工业厂房。DUZednc

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图2：GF Piping Systems的Hycleen自动化系统是基于云的水质管理系统的一个示例。它具有温度和流量传感器，可连续收集有关水温和流量的数据。(图片来源：GF Piping Systems)DUZednc

设计案例2：污染监测

来自Birdz公司的SWARM浮标可测量偏远水库的水质。该系统的多参数探测器可以测量质量或环境参数，如电导率、绝对压力、温度、活性氯、浊度和有机物。采集的实时数据通过其无线通信模块直接传输到终端用户或远程服务器。此外，浮标维护成本低且能源自给自足，它有一个能量模块，包括一个电池和一个能量回收系统。这些浮标于2018年部署在了澳大利亚的Malmsbury水库。所需的维护工作非常低——在部署的第一年，该系统只需要更换一次探测器和打两次实际维护电话。DUZednc

展望未来

业界对智能水管理系统的实施进行了初步投资。使用IIoT系统监测水体或水质，可能需要借助大量传感器来覆盖需要监测的区域，具体取决于应用。因此，传感器和IIoT系统的性价比就是一个考虑因素。一旦安装了系统，未来的回报就可能很大。这些系统将能够提供智能水监测、漏水检测、智能计量、智能配水、洪水监测、农业智能用水和水质改善。随着传感器部署到偏远地区，不断增强传感器来提高可靠性和能源效率，以及减少维护就成为关键。DUZednc

（原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Smart Water Management Using IIoT，由Franklin Zhao编译。）DUZednc

本文为《电子技术设计》2022年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。DUZednc